地球化学动力学

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符号表

物理常数

第1章简介和综述

1．1热力学与动力学

1．2化学动力学与地球化学动力学

1．3均相反应动力学

1．3．1反应进度参数■

1．3．2基元反应与总反应

1．3．3反应的分子数

1．3．4反应速率定律、反应速率常数和反应级数

1．3．5不同级数反应的浓度演化

1．3．6反应速率常数随温度的变化：阿伦尼乌斯方程

1．3．7变温反应动力学

1．3．8更复杂的均相反应

1．3．9确定反应速率定律、反应速率常数和反应机制

1．4物质迁移和热传递

1．4．1扩散

1．4．2对流

1．5多相反应动力学

1．5．1控制因素和“反应定律”

1．5．2多相反应中的步骤

1．6反应速率常数与扩散系数的温度和压力效应

1．6．1碰撞理论

1．6．2过渡态理论

1．7反演问题

1．7．1冷却过程中的反应和扩散

1．7．2地质年代学、封闭年龄和热年代学

1．7．3地质温度计、表观平衡温度和地质速率计

1．7．4两相或多相交换反应的地质速率计

1．7．5小结

1．8附注

1．8．1动力学问题中所需要的数学

1．8．2揭开一些似乎违反热力学的反应之谜

1．8．3其他“似是而非”之谜

1．8．4对未来研究的展望

习题

第2章均相反应动力学

2．1可逆反应

2．1．1一级可逆反应的浓度演化

2．1．2二级可逆反应的浓度演化

2．1．3冷却过程中的可逆反应

2．1．4斜方辉石中的FeMg有序-无序反应

2．1．5流纹岩浆中水的种型反应

2．2链式反应

2．2．1放射性衰变系列

2．2．2链式反应导致的负活化能

2．2．3臭氧的热分解

2．3平行反应

2．3．1水溶液中Fe2+和Fe3+之间的电子转移

2．3．2溶解的CO2形成碳酸氢根

2．3．3氢的核燃烧

2．4特殊主题

2．4．1臭氧的光化学合成和分解与臭氧层空洞

2．4．2受扩散控制的均相反应

2．4．3玻化转变

习题

第3章物质迁移：扩散和对流

3．1基础理论和概念

3．1．1物质守恒和迁移

3．1．2能量守恒

3．1．3动量守恒

3．1．4扩散的类型

3．2二元体系中的扩散

3．2．1扩散方程

3．2．2初始条件和边界条件

3．2，3稳态下扩散方程的简单解

3．2．4扩散系数恒定时一维无限或半无限介质中的扩散

3．2．5瞬时平面源、线源或点源

3．2．6叠加原理

3．2．7扩散系数恒定时一维有限介质中的扩散：分离变量法

3．2．8可变动的扩散系数

3．2．9二元体系中的上坡扩散和不稳分解

3．2．10三维扩散；不同坐标系

3．2．11各向异性介质中的扩散；扩散张量

3．2．12求扩散方程解析解方法总结

3．2．13数值解

3．3多种型组分的扩散

3．3．1水在硅酸岩浆中的扩散

3．3．2CO2在硅酸岩浆中的扩散

3．3．3氧在岩浆和矿物中的扩散

3．4多组分体系中的扩散

3．4．1有效二元方法

3．4．2改进的有效二元方法

3．4．3基于浓度的多组分扩散系数矩阵

3．4．4基于活度的多组分扩散系数矩阵

3．4．5结语

3．5一些特殊的扩散问题

3．5．1放射性组分的扩散

3．5．2放射成因组分的扩散和热年代学

3．5．3里策刚环(Liesegangrmgs)

3．5．4同位素比值扩散曲线与元素浓度扩散曲线

3．5．5移动边界问题

3．5．6扩散和流动

3．6扩散系数

3．6．1实验测定扩散系数

3．6．2关于扩散系数的关系和模型

习题

第4章多相反应动力学

4．1多相反应的基元过程和特殊问题

4．1．1成核

4．1．2界面反应

4．1．3物质迁移和热传递的作用

4．1．4枝晶生长

4．1．5多个晶体的成核和生长

4．1．6颗粒粗化

4．1．7形成新相的动力学控制

4．1．8备注

4．2由物质迁移或热传递控制的单个晶体、气泡或液滴的溶解、熔融和生长

4．2．1参照系

4．2．2无限熔体介质中晶体的扩散溶解

4．2．3无限流体介质中下沉或上浮晶体的对流溶解

4．2．4晶体的扩散生长和对流生长

4．2．5气泡的扩散生长／溶解和对流生长／溶解

4．2．6其他可作类似处理的问题

4．2．7界面反应和扩散的相互影响

4．3其他多相反应

4．3．1啤酒和香槟中气泡生长的化学动力学和物理动力学

4．3．2爆发式火山喷发的动力学

4．3．3两种接触晶相之间的组分交换

4．3．4熔体包裹体或流体包裹体与宿主矿物的扩散再平衡

4．3．5两种晶相的熔融或相互反应

4．4未来研究的方向

习题

第5章反演问题：地质年代学、热年代学和地质速率计

5．1地质年代学

5．1．1定年方法1：可以推测最初母核素数目

5．1．2定年方法2：可以推测最初子核素数目

5．1．3定年方法3：等时线法

5．1．4定年方法4：用已绝灭核素测相对年龄

5．1．5准确定年的若干条件

5．2热年代学

5．2．1封闭温度和封闭年龄

5．2．2扩散丢失与放射成因增长的数学分析

5．2．3封闭温度概念的拓展

5．2．4应用

5．3地质速率计

5．3．1基于均相反应的定量地质速率计

5．3．2测量无水玻璃的热容以估计冷却历史

5．3．3单晶内基于扩散和环带结构的地质速率计

5．3．4基于两相或多相之间扩散的地质速率计

5．3．5用其他多相反应估计冷却历史

5．3．6各种地质速率计评述

习题

附录

A1熵的不守恒和扩散矩阵

A2误差函数及其相关函数

A3若干扩散问题的解

A4扩散系数

习题答案

参考文献

索引

　　《地球化学动力学》是一本为研究生和高年级本科生撰写的教科书。本书以我在密歇根大学执教的“地球化学动力学”课程为基础，其目的是全面介绍地球化学动力学的原理和理论。地球化学工作者也可以将本书作为标准参考文献。　　本书从理论和应用方面系统地阐述了地球化学动力学化学动力学应用于地质问题的学科。《地球化学动力学》既介绍了化学动力学的基本理论和应用，也详尽地总结了地球化学工作者提出的各种理论和应用，尤其是高温地球化学方面的理论，如变温动力学和反演理论。其中的反演理论包括了地质年代学(同位素定年)、热年代学(反演温度-时间历史)和地质速率计(推测冷却速率)。本书的第一章在基础水平上综述了地球化学动力学的整个研究领域，其后各章分别针对均相反应、物质迁移、多相反应，以及反演问题阐释了理论和应用。　　本书的大多数例子取自高温地球化学研究，也有一些例子取白天文学和环境科学。本书还提供了附录、章末习题以及丰富的参考文献。读者最好具备简单微分方程、线性代数和热力学(本科物理化学课程水平)的基本知识。《地球化学动力学》是所有对地球化学动力学问题感兴趣的学生和学者的珍贵资源。